关于ToF技术的分析和应用

相信大家仍然对电影《少数派报告》中炫酷的“虹膜扫描”印象深刻，但是虹膜扫描也有一个问题，通过虹膜移植--换眼手术就可以骗过系统（剧中的阿汤哥就这样做的）。

随着最新高端移动设备的发布，刷脸技术已开始受到通过脸部识别实现设备解锁等应用的青睐，从而在现有的基于指纹扫描的生物识别技术基础上增添了一个主要安全级别。

有市场分析人员指出，未来几年脸部识别技术和可靠生物识别软件的发展也将推动移动支付等其他应用在所有市场上的快速增长。但是这项技术仍然面临技术难题。

1 应用要求及挑战  

一流的脸部识别应用的关键问题之一在于潜在的脸部欺骗攻击的危险。脸部欺骗攻击是指通过利用支持脸部识别的人工机制，企图伪造所有者的脸部并获得外来访问权。黑客可以使用照片、视频或3D面罩来实施攻击并访问设备上所有者的特许保密信息。

1.1光线明暗及频率干扰  

脸部识别技术预计将适用于所有环境光线条件和背景。譬如，在阳光明媚的日子，在沙滩上，阳光直接照射在摄像头上或照到用户的脸上，或者晚上在家里看电视时光线暗淡。此外，来自侧面的强光或投下的阴影也造成了其他具有挑战性的边界条件。

如果不同移动设备的3D摄像头在同一空间以同一频率工作，则偶尔会出现多设备干扰问题。具有相似调制频率和重叠视野的深度摄像头可能相互干扰，因为它们共享同一频段。因此，来自两个或更多摄像头的光信号叠加产生一个移位相位（假设调制频率相同），引发干扰，并使正确的模式识别失效。

1.2其他问题及挑战  

脸部身份验证等应用的用户体验需要实现无缝，脸部检测和识别需要实时进行。此外，脸部识别还需解决以下几个问题：

激光安全在实施激光照明的3D摄像头系统中是一个值得关注的问题。如果不考虑眼睛安全，大功率照明会损害最终用户的眼睛。因此，本课题要求特别注意相应的应用安全规定和关注的目标市场。

电池使用时间是用户关注的问题，也是手持设备设计的一个主要考虑因素。虽然以最低功耗稳定运行是智能手机和可穿戴设备的必备条件，但每一代新手机都增加了需要速度更快的处理器的诸多功能，从而耗电更多。

在保持手持设备尺寸的同时屏幕却越来越大，这给设计师提出了一个挑战，即如何在电路板的小小空间内容纳所有功能。

机械强度：对于将一直 “在途中 ”的电子设备而言十分重要。在跌落、碰撞、冲击和振动的情况下，设备必须耐用。手机制造商希望避免由于机械或标定降级问题而导致的现场退货。用户永远不想标定他们的手机！

2 搭载REAL3TM的解决方案 

针对以上几个难题，英飞凌REAL3TM系列图像传感器构成3D摄像头模块中最相关的功能块，旨在实现移动设备中准确的脸部识别。英飞凌REAL3TM系列实时提供深度数据，而不会对图像采取以后处理的方式，采用毫秒级的捕获程序，无接触、快速且对不同的环境光线条件有稳定表现。

2.1光线问题这样解决  

基于2D的脸部识别系统可能很容易伪造；即使用显示屏上的脸部图片。REAL3TM系列可带来基本性能，实现有效防欺骗、防伪造的摄像头系统：高可靠性的3D数据，至少有3.8万个深度点，测量每一个像素的深度，达到毫米级精度。错误率小于1.000.000，没有任何遭受奇怪攻击的可能性！

如上所述，强光和昏暗光线条件的影响可能是智能手机实现可靠脸部识别面临的一个问题。当然，户外使用时阳光比摄像头的有源照明要明亮得多。这会导致拍摄噪声（距离噪声）增大，同时传感器的大量动态被环境光所占据，导致像素饱和，从而降低了精度或像素失效。

滤光片和光猝发是用来克服[阳光]影响的常用技术；不过，它们不足以将信噪比提高到可接受的水平。与此相反的是，REAL3TM系列传感器专为具有挑战性的环境光线条件而设计：强光或具有不同反射指数的材料等干扰将不会影响测量的可重复性和质量。这要归功于传感器的获得专利的SBI（背景干扰抑制），这是一种像素内电路技术，用于克服可变光线条件的影响。SBI电路在集成过程中瞬间消除所有不相关信号，并在所有光线条件下（晴天、多云、阴天或昏暗）实现出色的摄像头性能。

ToF模块工作原理图

如需求一节所述，在保持设备尺寸的同时有足够的电池使用时间对于电池供电设备是非常重要的。在结构光或立体视觉等3D成像技术中，距离通过复杂算法用三角测量方法计算得出。这些技术需要在专用ASIC处理器上处理大量数据。飞行时间仅通过一次捕获来测量整个场景，更快、更准确，并且具有更低的计算负荷要求。基于REAL3的摄像头的精简计算负载可以降低应用处理器的功耗并减少所占用的资源。

2.2英飞凌ToF解决方案  

英飞凌REAL3TM系列能实现简单而强大的摄像头模块设计。除通常的外设[SP2/I2C存储器、电源、连接器]外，3D摄像头将只有两个主要组件：REAL3TM图像传感器和照明电路[VCSEL驱动器和温度传感器]，它们之间不需要任何机械基线。

因而，其结果就是一个非常小的摄像头模块(只有11×7×4毫米)，具备集成于手机的高度灵活性，并有快速的(不到10秒)工厂内寿命标定程序。相比之下，结构光等其他技术需要摄像头和投影仪之间的基线。基线的存在意味着很大的空间需求、较低的机械稳定性和机械强度，并且设计灵活性有很大局限。在基于结构光的摄像头中，由于机械不稳定性导致的标定降级风险增大，可能会出现产量损失甚至现场退货等后果。

基于REAL3TM系列的模块尺寸仅有11×7×4毫米

此外，REAL3TM包括一个集成式眼睛安全电路。只有少数组件必须外部连接。眼睛安全电路使红外光系统能在所有可预见的操作条件下都是安全的。较之外部眼睛安全电路，这个概念具有显著优势：减少BOM用料 ，并且对于每个用例可以选择曝光时间界限设置。

在3D摄像头中实施的英飞凌REAL3TM系列传感器可实现对面部的实时跟踪和识别。

REAL3TM ToF技术不受环境光照、材料反射条件或脸部朝向的影响，确保可靠防欺骗，完全不引人注目并实现高效率。通过在3D摄像头设计和制造中提高性能和集成度、简化设计并优化成本，英飞凌REAL3TM系列加强了产品的差异化优势。用户获益包括简单无缝的身份验证体验和增强的安全性。